熊治文

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣西南寧，530007）

0 引言

隨著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，焊接早已脫離了簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的連接或者坯料制造的范疇，變成了現(xiàn)代制造工業(yè)中不可或缺的精加工方法之一。而現(xiàn)代的發(fā)展生產(chǎn)所追求的是高效率與高質(zhì)量的結(jié)合，這與傳統(tǒng)的人工制造形成了矛盾，也就是說(shuō)傳統(tǒng)的生產(chǎn)效率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求；所以新時(shí)代的焊接制造必須做出轉(zhuǎn)變，順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，向著自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化發(fā)展才是大勢(shì)所趨，而這就是新時(shí)代工業(yè)焊接機(jī)器人誕生的根本原因，該機(jī)器人主要由變位機(jī)、傳感器、控制器、自動(dòng)焊機(jī)等組成。

本文主要研究工業(yè)焊接機(jī)器人中的焊接擺動(dòng)器，為了提高焊接效率、質(zhì)量、精準(zhǔn)度[4]。進(jìn)一步開(kāi)展基于微處理器的焊槍設(shè)計(jì)研究。通過(guò)設(shè)計(jì)出如下的控制方案：

采用單片機(jī)芯片作為控制器向各模塊提供數(shù)據(jù)信號(hào)、方向信號(hào)、使能信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，把傾角傳感器輸出的一系列脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，并將數(shù)值顯示于LCD屏，且單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。傾角傳感器作為監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)焊槍與焊縫的偏差角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

焊槍擺動(dòng)器可根據(jù)焊槍與焊縫的偏差角度實(shí)時(shí)糾正，采用柔性導(dǎo)桿反饋偏差角度，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示偏差。將為工業(yè)焊接機(jī)器人在提高精準(zhǔn)度與效率方面的發(fā)展提供參考。

1 焊槍擺動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

■1.1 焊槍擺動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文中的焊槍擺動(dòng)器的部分結(jié)構(gòu)中主要由焊槍、十字滑塊、柔性導(dǎo)桿、滑輪、傾角傳感器、焊縫等組成，如圖1所示。焊槍的作用是進(jìn)行焊接，十字滑塊是一種設(shè)想的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行調(diào)整柔性導(dǎo)桿與焊槍的距離，防止焊槍與柔性導(dǎo)桿距離過(guò)進(jìn)，導(dǎo)致導(dǎo)桿受損；柔性導(dǎo)桿的作用是為了讓傳感器遠(yuǎn)離焊槍?zhuān)苊夂附舆^(guò)程中受焊接弧光和溫度的影響；滑輪的作用是為了讓柔性導(dǎo)桿能順利地在焊接板塊上方便的移動(dòng)，減少摩擦，避免了導(dǎo)桿的磨損與壽命的衰減[1]，提高機(jī)器的使用壽命；傾角傳感器使用的是GY-傾角檢測(cè)儀，主要用來(lái)檢測(cè)角度的變化回饋給控制器，該傳感器之所以裝在導(dǎo)桿的中間是為了能更好以及更靈敏更快速的檢測(cè)出導(dǎo)桿相對(duì)于焊縫的角度變化，而導(dǎo)桿就相當(dāng)于焊槍的延伸，故而導(dǎo)桿的形變就預(yù)示著焊槍的形變，所以角度傳感器的靈敏度與快速性決定焊槍的焊縫跟蹤精度，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。未添加的結(jié)構(gòu)有兩臺(tái)來(lái)分別代表焊槍擺動(dòng)器的前后、左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力的步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)控制器，當(dāng)角度傳感器向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)桿會(huì)率先向右發(fā)生形變，然后單片機(jī)會(huì)使LCD顯示出角度的變化的大小，同時(shí)控制負(fù)責(zé)左右方向的電機(jī)回轉(zhuǎn)，使焊槍免于碰撞和偏移，使焊槍不偏離焊縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊槍擺動(dòng)器的焊縫跟蹤控制。

圖1 焊槍擺動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

■1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)方案如圖2所示，在以微控制器STC89C52RC為核心的條件下，形成的閉環(huán)控制，同時(shí)分出三大設(shè)計(jì)模塊。

圖2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)主要采用單片機(jī)微控制器作為控制核心，通過(guò)角度傳感器構(gòu)成的監(jiān)控模塊、LCD顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成焊槍擺動(dòng)器的控制系統(tǒng)。GY-25傾角檢測(cè)儀將角度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)寄存器中，其中角度數(shù)據(jù)包括了三個(gè)方向的角度數(shù)據(jù)，分別是航向角、橫滾角以及俯仰角，在本設(shè)計(jì)中只用到了航向角和俯仰角的數(shù)據(jù)；單片機(jī)將這兩個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示出來(lái)，當(dāng)下一次角度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)判斷是哪一個(gè)方向的角度發(fā)生了變化，從而判斷是哪一個(gè)步進(jìn)電機(jī)會(huì)收到脈沖信號(hào)從而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)模擬焊槍的擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)結(jié)束，會(huì)將數(shù)據(jù)上傳，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)下一次角度偏轉(zhuǎn)時(shí)，能通過(guò)角度差的計(jì)算公式來(lái)繼續(xù)給步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)。

2 焊槍擺動(dòng)器設(shè)計(jì)

■2.1 主程序流程設(shè)計(jì)

焊槍擺動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)所使用的編輯語(yǔ)言是C語(yǔ)言，無(wú)論是主程序還是子程序等等都是采用的C語(yǔ)言編程，主程序流程圖主要包括系統(tǒng)初始化、LCD顯示子程序、串行寫(xiě)入/讀取、電機(jī)正反轉(zhuǎn)，軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

■2.2 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，當(dāng)焊槍的角度發(fā)生偏移時(shí)，角度傳感器通過(guò)柔性導(dǎo)桿實(shí)時(shí)檢測(cè)到角度的變化，這時(shí)就會(huì)啟動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的程序，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整焊槍回到正軌，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，電機(jī)的控制程序流程圖如圖4所示。在電機(jī)控制時(shí)，我們還要考慮到步進(jìn)電機(jī)的最小步距角與轉(zhuǎn)速，以下就是求得步進(jìn)電機(jī)步距角與轉(zhuǎn)速的方法：

圖4 電機(jī)控制程序流程圖

由本文電機(jī)參數(shù)可知所使用的步進(jìn)電機(jī)是四相永磁式步進(jìn)電機(jī)，采用的是八拍運(yùn)行方式，齒數(shù)為八個(gè)；減速比為1：64；空載頻率f=550Hz。

由公式（1）：n為轉(zhuǎn)速。f為頻率，所以求得的轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)每分鐘。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在模擬焊槍擺動(dòng)器的焊接過(guò)程中，利用角度傳感器來(lái)進(jìn)行焊縫跟蹤中的焊槍角度的檢測(cè)，角度傳感器主要負(fù)責(zé)的是俯仰角與水平角的檢測(cè)，然后通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)給單片機(jī)，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理，顯示在LCD上。本次測(cè)試是摘選的角度是水平角+20度、-20度；俯仰角+15度、-15度的角度顯示測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5和6所示（以下圖水平位置為俯視圖，俯仰位置為正視圖）。

首先將傳感器水平移動(dòng)+20度，因?yàn)榻嵌葌鞲衅魇撬胶附釉谌f(wàn)用板上，因此我將焊接板放在水平桌面上，在上電初化完成后，通過(guò)慢慢逆時(shí)針?biāo)叫D(zhuǎn)焊接板塊，就會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示屏上“Y”后面對(duì)應(yīng)的數(shù)值會(huì)緩慢呈正數(shù)增加，一直增長(zhǎng)到本次需要檢測(cè)的+20°角，我們就停止轉(zhuǎn)動(dòng)焊接板，最終在顯示屏上顯示出如圖5所示的結(jié)果。

圖5 水平角+20度檢測(cè)

在檢測(cè)俯仰角時(shí)，我將水平放置的焊接板緩慢的水平抬起15°角，就會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示器上“P”所對(duì)應(yīng)的數(shù)值會(huì)呈正數(shù)增加，一直抬起焊接板直到數(shù)值達(dá)到所要檢測(cè)的“+15”度為止，顯示結(jié)果如圖6所示。

圖 6 俯仰角+15度檢測(cè)

正如檢測(cè)俯仰角+15°角時(shí)一樣，我只要水平抬起焊接板的右邊，這時(shí)顯示器上“P”就會(huì)后面的數(shù)值將呈負(fù)數(shù)增長(zhǎng)，直到增長(zhǎng)到我們所需要的“-15”數(shù)值為止。

通過(guò)模擬焊槍擺動(dòng)器的工作過(guò)程，通過(guò)角度傳感器的角度檢測(cè)以及焊槍的自動(dòng)回調(diào)，當(dāng)焊槍在焊接時(shí)焊槍發(fā)生偏移，不能繼續(xù)維持焊槍的焊縫跟蹤功能時(shí)，此時(shí)角度傳感器就會(huì)在柔性導(dǎo)桿的輔助作用下檢測(cè)到焊槍的同步角度偏差，在第一時(shí)間內(nèi)單片機(jī)就會(huì)通過(guò)角度差的計(jì)算來(lái)得到相應(yīng)的脈沖數(shù)，從而發(fā)送該脈沖數(shù)來(lái)控制負(fù)責(zé)焊槍水平/俯仰回轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)因此得到使自身轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)，例如：焊槍的水平位置發(fā)生了偏移，通過(guò)程序計(jì)算出的偏移的角度差為正數(shù)，則單片機(jī)就會(huì)發(fā)送給控制焊槍水平位置的電機(jī)相應(yīng)的脈沖信號(hào)，水平步進(jìn)電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以此來(lái)模擬焊槍水平位置的自動(dòng)調(diào)整；以此類(lèi)推，俯仰電機(jī)也是如此。最終兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)相應(yīng)角度發(fā)生正/反轉(zhuǎn)的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)檢測(cè)表

2 15 反轉(zhuǎn) 100% 水平角電機(jī)3 25 反轉(zhuǎn) 100% 水平角電機(jī)4-5 正轉(zhuǎn) 100% 水平角電機(jī)5-15 正轉(zhuǎn) 100% 水平角電機(jī)6-25 正轉(zhuǎn) 100% 水平角電機(jī)7 5反轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)8 15 反轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)9 25 反轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)10 -5 正轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)11 -15 正轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)12 -25 正轉(zhuǎn) 100% 俯仰角電機(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

采用的角度傳感器雖然可以檢測(cè)到水平位置角度-180度到+180度，但是在俯仰角度的檢測(cè)中只能實(shí)現(xiàn)單邊角的檢測(cè)，例如東西南北四個(gè)方向，它只能單方面的檢測(cè)到東西方位角或者南北方位角的角度變化，這是本課題的缺點(diǎn)之一。在后續(xù)研究中可進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用多自由度陀螺儀解決上述問(wèn)題。